3D打印技術在節理巖體試樣制備中的應用與研究

徐竟航 張志奇 彭 亮

(石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊 050043)

1 概述

工程實際中，結構面的力學強度對于保證工程安全、優化工程設計有著非常重要的意義[1-2]，查明其強度是巖石力學和工程地質勘察的一項重要工作，也是工作的難點。其中，測量、計算結構面中的受力及抗剪強度尤為重要[3]。目前，常用的節理面粗糙度測量方法有：粗糙度測量儀直接測量、巴頓曲線估算、多重分形理論計算等。但上述方法均存在一定的缺陷，使用3D打印技術可完善其解決方案。

3D打印技術在巖石物理學中已有大量應用，前人通過立體光固化(SLA) 、熔融沉積成形(FDM)和粉層與噴墨頭技術(3DP)，可以打印出巖石試樣并進行劈裂試驗：立體光固化技術(SLA)打印的樹脂材料試樣具有良好的脆性，適合模擬硬巖的物理試驗，但其強度和脆性較天然巖石仍有欠缺[4]。因此，3D打印材料無法較好地模擬巖石，但可利用3D打印技術制作模具，然后采用接近巖石的相似材料來制造人工試樣以模擬巖石。

研究巖體抗剪強度一般是在現場進行直剪試驗，這也是測定巖體抗剪強度最常用的方法。使用白光掃描儀精確掃描得到結構面的點云數據，配合3D打印技術制作模具，解決不能重復制備剪切試樣的難點[5]。針對以上結構面剪切機理研究過程中出現的不足之處進行改進，對3D打印技術在節理巖體試樣制備中的可行性進行驗證。

2 試驗儀器及過程

2.1 試驗儀器介紹

(1)3D建模軟件

Pro/Engineer軟件在國內也被稱為“野火”，是美國參數技術公司的一款三維軟件，也是如今機械建模領域應用最廣泛的三維立體模型軟件。在個體的特征描述中，野火軟件可以詳細地刻畫出每個個體的基本特征，使用此軟件可方便建出所需的模型。

此軟件可采用基于個體的功能生成對應模型，例如倒角、圓角、外殼、曲面等。與我們熟悉的CAD不同，這款軟件可以先勾畫出草圖，再通過標注數據改變模型特征。這一功能特性可使設計更加簡單和靈活，并方便后期對模型進行修改。

(2)切片軟件

將模型導入打印機前，需要對模型進行一定的前處理，這需要利用Cura軟件。Cura 是目前功能較強大的一款3D打印切片軟件，包括了3D打印所需的功能，如模型切片和打印機控制等，具有速度快、切片穩定、對3D模型結構包容性強、設置參數少等諸多優點。

選用的打印機主要基于FDM熔融沉積成形工藝，在切片軟件中可以根據精度的需求選擇切片層厚度、打印速度、噴嘴和底板溫度來控制打印機的工作，也可調整模型在打印機中的打印位置等。

(3)3D打印機

3D打印是一種以數字模型文件為基礎的技術[6]，利用粉末狀油脂或塑料等特殊材料，經過提前設定、分層加工、疊加制造(逐層打印)，并以此制造三維物體。

激光燒結法、激光切割疊層制造法使用的材料成本昂貴且加工困難[7]，光固化成形法所需材料性能與試驗所需材料特性不符，故本試驗使用熔融沉積快速成形法，使用材料為ABS 、PLA。其優點為易得、便宜、輕便、高強度和高穩定性等，能進行攻絲、鉆孔、上色等操作[8]。缺點是容易發生脆性斷裂(斷裂后導致模具無法重復使用)。

熔融沉積成形是將絲狀的熱熔性材料(塑料等)加熱融化，通過計算機控制的噴頭，根據截面數據信息控制噴嘴進行X/Y方向的程控運動。噴頭按照模型的斷層切面進行填充，直至完成一個層面的圖形繪制，冷卻后形成一層截面，然后平臺下降一個厚度的單位(通常為0.1～0.3 mm)，重復以上過程，繼續熔融沉積，直至得到完整的實物模型。

(4)巖石直剪儀

巖石直剪儀是測定巖石抗剪強度的儀器(見圖1)，簡稱直剪儀。測定時，將巖石試樣置于直剪儀上、下金屬盒之間，通過上盒的液壓軸對石塊施以一定的垂直壓力，然后對上盒施加水平推力，使試樣沿上、下盒水平接觸面發生剪切位移直至破壞。通常釆用等速剪應變的方法，稱為應變控制剪切。

圖1 巖石直剪儀工作示意

2.2 試驗過程

(1)模具及節理面模型的制作

通過Pro/E建模軟件完成建模后，導出STL格式并將模型導入Cura切片軟件。調整打印精度、打印速度、噴頭溫度、底板溫度后，連接3D打印機開始打印。

根據直剪儀金屬盒大小，使用Pro/E軟件建立外形尺寸為140 mm×140 mm×120 mm，厚5 mm的模具外框(見圖2)。在模具的兩邊對稱設計了5個孔洞，以方便使用塑料綁扎帶穿孔連接。

圖2 外框模型

制作可承托外框的模具底座，可輔助固定模具并防止水泥在振搗過程中溢出(見圖3)。

圖3 底座模型

根據巴頓典型JRC曲線[9](見圖4)，制作120 mm×198 mm，厚2 mm，不同粗糙度的10個節理面模型(見圖5)。

圖4 巴頓典型曲線

圖5 節理面模型

制作測試水泥抗壓強度的試塊模具，設計模具內徑為50 mm，高100 mm(見圖6)。

圖6 水泥試塊模型

(2)試塊制作

此次試驗石塊尺寸為140 mm×140 mm×120 mm，材料使用清水，標準砂，425普通硅酸鹽水泥，三種材料的質量配合比為水∶砂∶水泥=1∶6∶2，每組節理制作3個試樣。拌和前用水潤濕砂，并在拌和過程中添加少量消泡劑，試樣澆筑前，在模具內節理面上涂油(方便脫模)，在模具底部放上專用底座(防止水泥砂漿在振搗時流出)。在(20±2) ℃、相對濕度為90%以上的條件下養護試樣，養護時間不少于28 d[10]。

將模具，底座與節理面模型連接、組裝并固定，再將水泥砂漿澆筑其中(見圖7)。

圖7 試塊制作

(3)水泥試塊抗壓強度試驗

將養護好的圓柱體試塊放在壓機上，取壓碎時的受力值作為抗壓強度值。

此步驟目的是將水泥試塊與真實巖石抗壓強度做比對。若試塊與真實巖石抗壓強度不符，可通過調節水灰比來改變試塊抗壓強度。

(4)直剪實驗

試驗參考楊潔的節理峰值抗剪強度試驗[11]研究進行。

試驗前，將粗糙度為0～2，2～4，…，18～20節理面的試樣分別編號1，2，…，10。為了對照，增加粗糙度為0的試樣(節理面無起伏)。確保直剪儀金屬盒內無雜物，將試樣放入盒內，使上下兩塊試樣節理面緊密貼合。在試樣節理面法向加壓20 kPa，并通過液壓泵對上半部試樣緩慢勻速施加水平推力。通過百分表記錄剪力與位移的關系，并記錄數據。每組節理面試樣重復三次試驗。

試驗開始時，作用于上金屬盒的水平推力逐漸增加，上、下盒之間發生輕微位移，推測為石塊節理面間相互擠壓變形。當推力表讀數接近峰值，上、下盒已有明顯位移錯動。當荷載達到峰值時，推力表讀數驟降，此時試塊發生卸荷變形，試塊節理面部分被剪切破壞。繼續加荷，推力表讀數下降至趨于平穩。

試驗結束后，打開金屬盒，取出石塊，可觀察到節理面有明顯錯動破壞(見圖8、圖9)。

圖8 節理面破壞縱面(一)

圖9 節理面破壞縱面(二)

3 試驗數據與結果分析

表1為試驗室剪切試驗得到的部分數據統計，根據數據擬合圖像，可進一步得出剪切應力和位移與JRC之間存在的直觀聯系(見圖10)。

表1 剪切試驗數據統計

圖10 位移與應力關系

由圖10可知，在一定的法向力作用下，對于相同的一組試件，剪切破壞所需的剪力大致相同；隨著節理面粗糙度(JRC)的增加，所需剪力峰值也隨之增大。這一現象與巴頓典型JRC曲線相符合。

4 3D打印技術可行性的討論

隨著3D打印的日漸普及，此項技術越來越多地被應用在各個領域[12]。3D打印技術可制作出多個完全相同的節理面進行多次試驗，這是傳統試驗方法所不具備的最大優點。且3D打印機制作模具時無需守候，打印所需時間低于手工制作模具時間且精度比手工制作高。

在實踐過程中，也發現了3D打印方法存在一些缺點，如3D打印機為精密機器，購置成本高，維護要求高；若設計不合理，打印模型容易發生斷裂等。

5 工程應用與前景

JRC裂隙粗糙度系數是解釋巖石裂隙力學及滲流特性的重要參數。實際工程中，粗糙度系數的測定及試驗對邊坡支護的作用及重要性，以及3D打印技術的可復制性在該領域會有突出優勢。

式(1)為粗略計算巖體結構面抗剪強度的公式[14]

(1)

對于邊坡整體而言，該非線性公式可以很好地反映邊坡澆筑后節理面粗糙度和強度之間的聯系。但是仍存在工程現場局部邊坡JRC難以測定計算的問題[15]，若通過白光掃描技術及3D打印技術，制造出與實際邊坡紋理形狀相同的試件，通過剪切試驗來獲取真實數據，并運用“借小議大”技術合理應用到整個邊坡斷面[16]，即可回避JRC系數測定這一復雜且多變的問題。